Odlewanie kokilowe, ciśnieniowe czy piaskowe: co wybrać

O wyborze metody odlewania decyduje przede wszystkim wielkość serii, a nie kształt detalu. Każda metoda ma inny koszt oprzyrządowania i inną cenę sztuki, więc pytanie brzmi nie „która jest najlepsza", tylko „przy ilu sztukach droższe narzędzie zdąży się zwrócić". W dużym uproszczeniu: do kilkuset sztuk wygrywa masa piaskowa, od kilkuset do kilku tysięcy kokila, a powyżej kilkudziesięciu tysięcy odlewanie ciśnieniowe. Odlewanie precyzyjne stoi obok tej skali, bo wybiera się je dla geometrii, której inne metody nie zrobią.

Ten artykuł rozkłada ten wybór na czynniki i pokazuje rachunek, który warto zrobić samodzielnie, zanim porówna się dwie oferty. Jeżeli szukasz szerszego kontekstu, czyli podziału odlewni według rodziny stopu, oznaczeń normowych żeliwa i aluminium oraz pełnego rozkładu ceny, zebraliśmy to na stronie o odlewniach metali i odlewach na zamówienie.

Czym różni się odlewanie kokilowe od ciśnieniowego?

W obu metodach forma jest metalowa i służy przez tysiące cykli, ale metal dostaje się do niej inaczej. W odlewaniu kokilowym ciekły stop zalewa formę pod własnym ciężarem, grawitacyjnie. W odlewaniu ciśnieniowym jest do niej wtłaczany pod wysokim ciśnieniem przez układ hydrauliczny. Ta jedna różnica pociąga za sobą wszystkie pozostałe.

Ciśnienie wciska metal w najdrobniejsze szczeliny formy, więc pozwala na cieńsze ścianki, ostrzejsze detale i wymiar bliższy rysunkowi. Skraca też cykl, bo forma napełnia się w ułamku sekundy. W zamian wymaga maszyny odlewniczej i formy zaprojektowanej na wysokie ciśnienie, a to jest wielokrotnie droższe niż kokila zalewana grawitacyjnie. Dlatego odlewanie ciśnieniowe niemal nie występuje przy seriach poniżej kilku tysięcy sztuk, choćby detal idealnie się do niego nadawał.

Jest jeszcze różnica, o której pamięta się rzadziej: odlewy ciśnieniowe trudniej poddaje się obróbce cieplnej, bo szybkie wtłaczanie zamyka w metalu pęcherzyki powietrza, które przy wygrzewaniu rozprężają się i tworzą wady powierzchni. Jeżeli Twój detal ma być ulepszany cieplnie albo spawany, powiedz to odlewni na etapie zapytania, bo może to przesądzić o metodzie niezależnie od serii.

Kiedy opłaca się odlewanie piaskowe?

Odlewanie w masie piaskowej opłaca się zawsze wtedy, gdy seria jest krótka, detal duży albo zamówienie jednorazowe. Forma jest jednorazowa i tania, a wielokrotnego użytku jest tylko model, czyli odwzorowanie detalu, wokół którego formuje się masę. Model z drewna albo z tworzywa kosztuje ułamek tego, co forma metalowa, dlatego przy dwudziestu sztukach nie ma dla masy piaskowej konkurencji.

Druga sytuacja to gabaryty. Odlew ważący sto kilogramów po prostu nie wejdzie do maszyny ciśnieniowej, a kokila o takich wymiarach byłaby przedsięwzięciem samym w sobie. Korpusy obrabiarek, koła zamachowe, obudowy przekładni i wszystko, co waży dziesiątki kilogramów, powstaje w masie formierskiej, niezależnie od tego, ile sztuk zamawiasz.

Trzecia to odtwarzanie części z wzoru. Gdy przywozisz do odlewni zużyty detal sprzed trzydziestu lat, bo producenta maszyny już nie ma, model powstaje z tego wzoru, a forma jest jednorazowa. Nikt nie buduje kokili do jednej sztuki części zamiennej.

Ceną, jaką się za to płaci, jest dokładność. Odlew z masy piaskowej ma chropowatą powierzchnię i luźne tolerancje, więc każdy wymiar współpracujący trzeba potem obrobić skrawaniem. To nie jest wada, tylko normalny podział pracy: odlew daje kształt i masę, a obróbka CNC dorabia gniazda łożysk, płaszczyzny podziału i otwory gwintowane.

Porównanie czterech metod odlewania

Kolumna z tolerancjami odwołuje się do normy ISO 8062, która opisuje klasy dokładności wymiarowej odlewów oznaczane literami CT, gdzie niższy numer znaczy ciaśniej. Przy kokili świadomie nie podajemy liczby: źródła branżowe podają dla tej metody rozbieżne zakresy, a jeden z popularnych zestawień plasuje ją nawet ciaśniej niż odlewanie ciśnieniowe, co przeczy technologii. Zamiast powtarzać wątpliwą liczbę, bezpieczniej jest ustalić osiągalną tolerancję z odlewnią dla konkretnego detalu, bo zależy ona także od jego wielkości i od tego, czy wymiar przechodzi przez linię podziału formy.

Jak policzyć, przy ilu sztukach kokila zacznie się opłacać

To jedyny rachunek, który naprawdę rozstrzyga wybór, i da się go zrobić na kartce. Potrzebujesz czterech liczb od odlewni: kosztu oprzyrządowania i ceny sztuki w każdej z dwóch porównywanych metod. Próg opłacalności to różnica kosztów oprzyrządowania podzielona przez różnicę cen sztuki.

Weźmy detal z aluminium o masie około 0,8 kg. Liczby poniżej są przyjęte na potrzeby pokazania rachunku, a nie zaczerpnięte z cennika, bo realne stawki różnią się między zakładami i zmieniają razem z cenami metalu. Podstaw własne z otrzymanych ofert, mechanizm zostanie ten sam.

Próg wychodzi z dzielenia: różnica oprzyrządowania to 28 000 minus 4 000, czyli 24 000 zł, a oszczędność na sztuce to 46 minus 29, czyli 17 zł. 24 000 podzielone przez 17 daje około 1 412 sztuk. Poniżej tej liczby tańsza jest masa piaskowa, powyżej kokila. Przy 5 000 sztuk kokila oszczędza już 61 000 zł na całym zamówieniu, mimo że narzędzie kosztowało siedem razy więcej.

Dwie uwagi do tego rachunku. Po pierwsze, liczbę sztuk podstawiaj tę realną w skali kilku lat, a nie tę z pierwszego zamówienia, bo forma nie znika po pierwszej partii. Po drugie, koszt oprzyrządowania płacisz na starcie, zanim sprzedasz choć jedną sztukę, i to on tworzy dziurę w przepływach. Jeżeli w tym samym czasie czekasz na przelewy od własnych odbiorców, warto pamiętać, że niezapłacone faktury da się zamienić na gotówkę przed terminem, zamiast przesuwać uruchomienie serii o kwartał.

Co zmienić w konstrukcji detalu, zanim wyślesz go do odlewni

Detal zaprojektowany pod obróbkę skrawaniem rzadko nadaje się do odlania bez poprawek. Cztery zmiany dają największy efekt i żadna z nich nie pogarsza działania części.

Pochylenia odlewnicze. Ściany prostopadłe do kierunku wyjmowania z formy trzeba pochylić, inaczej model wyrwie masę albo odlew zakleszczy się w kokili. To pierwsza rzecz, którą technolog odlewni odeśle do poprawy, i pierwsza, o którą zapyta, wyceniając.

Jednolita grubość ścianki. Metal stygnie od powierzchni w głąb, więc gruby węzeł stygnie ostatni i to w nim powstaje jama skurczowa. Zamiast pogrubiać ściankę dla sztywności, dodaj żebra. Ta jedna zmiana likwiduje najczęstszą przyczynę braków.

Zaokrąglenia zamiast ostrych naroży. Ostre naroże wewnętrzne to koncentrator naprężeń i miejsce, w którym masa formierska najłatwiej się kruszy. Promienie poprawiają zarówno wytrzymałość odlewu, jak i żywotność formy.

Rezygnacja z podcięć, których forma nie wyjmie. Każde podcięcie oznacza rdzeń albo suwak w formie, czyli osobny koszt i osobne źródło braków. Bardzo często ten sam efekt da się uzyskać otworem wywierconym po odlaniu, i wtedy wychodzi taniej mimo dodatkowej operacji.

Te zmiany robi się w modelu 3D, więc dobrze mieć dostęp do środowiska CAD po swojej stronie, zamiast odsyłać każdą poprawkę do biura projektowego. Zasady opisywania samych wymagań wymiarowych, wspólne dla odlewu obrabianego potem skrawaniem, rozłożyliśmy w artykule o tym, jakie tolerancje podać na rysunku do obróbki CNC.

Najczęstszy błąd przy porównywaniu ofert odlewni

Błąd polega na zestawianiu samych cen sztuki. Dwie oferty na ten sam detal potrafią się różnić dwukrotnie i obie być uczciwe, bo jedna zakłada masę piaskową, a druga kokilę, przy czym ta druga ma jeszcze niewidoczne w tabelce oprzyrządowanie za kilkadziesiąt tysięcy. Przy serii pięciuset sztuk droższa cena sztuki bywa tańszym zamówieniem.

Dlatego w zapytaniu proś wprost o rozbicie na dwie pozycje: koszt oprzyrządowania osobno i cenę sztuki osobno, najlepiej przy dwóch wielkościach serii naraz. Dopiero taka odpowiedź pozwala policzyć próg i porównać oferty, które opierają się na różnych technologiach. Przy okazji zapytaj, czyją własnością jest oprzyrządowanie po jego opłaceniu, bo bez tego zapisu zmiana dostawcy oznacza budowę formy od nowa. Co powinno znaleźć się w takich ustaleniach, rozpisaliśmy przy okazji umowy z producentem na zamówienie.

Pytania, które wracają najczęściej

Czy odlewanie kokilowe jest dokładniejsze od piaskowego?

Tak. Kokila jest formą metalową o powtarzalnym wymiarze i szybciej odbiera ciepło, więc odlew ma gęstszą strukturę, gładszą powierzchnię i mniejszy rozrzut wymiarów niż odlew z masy formierskiej. Nie dorównuje jednak odlewaniu ciśnieniowemu, bo metal wypełnia formę wyłącznie pod własnym ciężarem, co ogranicza minimalną grubość ścianki i odwzorowanie drobnych detali.

Jakie metale odlewa się metodą ciśnieniową?

Przede wszystkim stopy aluminium, cynku i magnezu, czyli stopy o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia. Żeliwa i staliwa nie odlewa się pod ciśnieniem, bo temperatura zalewania zniszczyłaby formę w kilkudziesięciu cyklach. Stopy miedzi bywają odlewane ciśnieniowo, ale żywotność formy jest wtedy wyraźnie krótsza, a osiągane klasy tolerancji nieco luźniejsze niż przy aluminium.

Ile trwa wykonanie oprzyrządowania?

Model do masy piaskowej powstaje najszybciej, bo jest z drewna albo z tworzywa. Kokila wymaga obróbki bloku stali i zwykle liczy się w tygodniach. Forma ciśnieniowa jest z tych trzech najbardziej pracochłonna, bo dochodzą kanały chłodzące, wypychacze i ewentualne suwaki. Do harmonogramu doliczyć trzeba jeszcze próby i korekty po pierwszych odlewach, bo pierwsza sztuka rzadko wychodzi od razu w wymiarze.

Czy można zacząć od masy piaskowej i przejść później na kokilę?

Tak i jest to częsta, rozsądna ścieżka. Pierwsze partie w masie piaskowej pozwalają sprawdzić konstrukcję i zmierzyć realny popyt bez wydawania kilkudziesięciu tysięcy na formę. Trzeba tylko pamiętać, że przejście na kokilę zwykle wymaga korekty detalu, bo pochylenia i grubości ścianek dobiera się inaczej, a wymiary odlewu wyjdą nieco inne, co bywa istotne, jeżeli część jest już w produkcji u odbiorcy.

Od czego zależy cena kilograma odlewu?

Głównie od stopu: żeliwo szare jest najtańsze, staliwo wyżej, a mosiądz i brąz najdroższe, bo płacisz za miedź. Poza materiałem liczy się skomplikowanie formy, liczba rdzeni, masa układu wlewowego, który trzeba zalać, a potem odciąć, oraz to, czy odlew wymaga obróbki cieplnej i badań. Pełny rozkład tych pozycji zebraliśmy na stronie o odlewniach metali.